Изучая планеты за пределами Солнечной системы, астрономы обнаружили необычный тип космических объектов.
Юпитер — одна из наиболее известных планет Солнечной системы. Крупнейший и третий по яркости объект на ночном небосводе позволил узнать многого о нём.
Этот Юпитер находится в нашей Солнечной системе. Существуют ли планеты, подобные Юпитеру, в других звёздных системах?
В ходе поисков экзопланет используется классификация «газовые гиганты». Это экзопланеты размером с Юпитер или Сатурн. Внутри этой категории существует класс экзопланет, именуемый «горячие Юпитеры».
Что же представляет собой горячий Юпитер?
Введение в горячие юпитеры
Газовые гиганты, подобные Юпитеру, вращающиеся вблизи своих звезд, называются горячими юпитерами. Расстояние от таких планет до звезды обычно равно около 0,1 астрономических единиц. В сравнении с этим расстояние между Меркурием и Солнцем составляет 0,4 астрономической единицы.
Горячие юпитеры — первый тип экзопланет, обнаруженный астрономами. В 1995 году швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Келоз обнаружили газовый гигант, обращающийся вокруг звезды, подобной Солнцу, 51 Пегаса. За это открытие в 2019 году Нобелевскую премию по физике получили Майор и Келоз.
Наблюдения за этим горячим Юпитером выявили короткий орбитальный период — около 4,2 дня. К 2020 году большинство экзопланет, открытых с помощью наземных исследований (например, WASP, HATNet и т.д.), были горячими юпитерами.
Среди найденных горячих юпитеров примерно шесть обладают орбитальным периодом менее суток. Такие объекты называются горячими юпитерами с ультракоротким периодом (USP). В 2020 году учёные опубликовали статью об открытии горячего юпитера USP с самым коротким известным орбитальным периодом. Объект, NGTS-10 b, имеет период обращения в 0,77 дня – около 18 часов!
Температура поверхности
Расположение горячего Юпитера вблизи звезды-хозяина провоцирует весьма экстремальные температуры. Характерной чертой горячих юпитеров является приливный эффект, когда одна сторона всегда обращена к звезде-хозяину, а другая – постоянно отвернута.
Космический телескоп Spitzer обнаружил, что относительно более холодные «горячие» Юпитеры обладают температурой атмосферы до 700 градусов Цельсия. Более горячие аналоги могут иметь температуру атмосферы от 700 до 1700 градусов Цельсия.
Внутри горячих юпитеров есть подвид — ультрагорячие юпитеры (UHJ), которые отличаются ещё более высокими температурами. Эти экзопланеты расположены очень близко к своим звёздам-хозяевам, из-за чего дневная температура превосходит 2200 градусов по Кельвину, что чуть больше 2000 градусов Цельсия. Это также является определяющим фактором для того, чтобы планета считалась UHJ.
Экстремальные условия приводят к разложению некоторых молекул, например, молекул воды (H2O), в атмосфере. Спектры такой распавшейся молекулы воды были обнаружены недавно в 2021 году на УЖ Wasp-76b, что подтвердило ее наличие в атмосфере этой экзопланеты. В будущем эти спектры могут быть применены для изучения атмосфер других УЖ, особенно процессов разложения молекул, и получения более полной информации об их характеристиках.
Обнаружено, что все горячие юпитеры обладают практически одинаковой температурой ночью – около 1100 кельвин. Это удивительно, ведь различия в атмосфере, массе планет, радиусах и периодах вращения могли бы привести к различным ночным температурам.
Существует возможное объяснение этому факту. Модели, примененные в исследовании, предполагали среду без облаков. Моделирование облаков — сложная задача, требующая больших вычислительных ресурсов. Горячие юпитеры с более экстремальными атмосферами будут иметь более сложные облачные образования. С помощью телескопов, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба и ARIEL Европейского космического агентства, можно легко изучить облака на горячих юпитерах, особенно на их ночной стороне.
Ретроградные орбиты и орбитальные эксцентриситеты
Ещё один особенный аспект орбит горячих юпитеров — некоторые из них, примерно 25 процентов от обнаруженных, кажутся имеющими ретроградные орбиты вокруг звезды-хозяина. Это означает, что направление движения планеты по орбите вокруг родительской звезды и вращение самой звезды противоположны друг другу. Ни одна планета в нашей Солнечной системе не имеет ретроградных орбит, такая же ситуация наблюдается и у других экзопланет.
Затем рассмотрим эксцентриситет орбит, определяющий степень её округлости или вытянутости. Значение эксцентриситета 0 указывает на круговую орбиту, а значения от 0 до 1 (не включая оба числа) – на эллиптическую. Эксцентриситет орбит планет помогает узнать об их происхождении.
Юпитеры с орбитой, которая занимает до трёх суток, часто движутся по окружному пути.
Такой короткий период может привести к неэллиптическим траекториям из-за явления, называемого быстрой приливной циркуляцией.
Приливная циркуляция – это результат действия приливных сил между основным объектом (например, звездой) и вращающимся вокруг него вторичным объектом (например, планетой). Приливы постепенно уменьшают эксцентриситет орбиты второго объекта, делая ее более круговой. Этот эффект особенно заметен у горячих юпитеров с периодом обращения меньше трех дней.
Некоторые горячие Юпитеры с орбитальными периодами от трех до десяти дней имеют весьма эллиптические орбиты. Причиной этому служит процесс высокой приливной миграции.
Формирование экзопланет в звездной системе могло привести к перемещению горячего Юпитера на высокоэксцентричную орбиту другой гигантской планетой. Со временем приливные эффекты, например приливная циркуляция, уменьшали бы эксцентриситет этой орбиты, в результате чего этот горячий Юпитер занял бы среднеэллиптическую орбиту вокруг центральной звезды. Не все горячие Юпитеры с периодом обращения 3-10 дней имеют эллиптические орбиты; некоторые обладают и круговыми.
Горячие Юпитеры — необычный тип экзопланет, легко обнаруживаемых с помощью доплеровской техники. Изучение их физических свойств, орбит и взаимодействия со звездами-хозяевами может помочь уточнить теории образования планет и звёзд.
Исследование орбит предоставляет ценное представление о движении планет, позволяя рассмотреть экстремальную природу их траекторий. В стремлении полностью понять планеты и их движение вокруг звезд горячие Юпитеры являются важным элементом этой головоломки. С улучшением наблюдений можно узнать больше и построить более реалистичную картину планет и их движения.